粒子源及其制造方法技术

本发明专利技术提供了一种用于制造粒子源的方法，包括：将金属丝置于真空环境中并通入活性气体和催化气体，对金属丝的温度进行调节，并对金属丝施加正高压V，使得金属丝表面的活性气体离解，在金属丝头部侧面产生刻蚀带，在该刻蚀带内发生场致刻蚀；场致刻蚀使得金属丝头部顶端处表面电场增强，直到大于金属丝材料的场致蒸发电场，使得此处的金属原子被蒸发出去；在场致刻蚀触发了场致蒸发之后，场致刻蚀和场致蒸发这两种机制相互调节直到金属丝头部形状变成了由底座和底座上的针尖组成，其中场致刻蚀发生在侧面，形成了底座，而场致蒸发发生在顶端，形成了针尖；以及当获得具有预定形状的金属丝头部时，停止场致刻蚀和场致蒸发。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及粒子源，更具体地涉及用于电子显微镜、聚焦离子束、微焦点X射线管、电子束光刻机、离子束光刻机的。
技术介绍
电子显微镜、聚焦离子束、微焦点X射线管、电子束光刻、离子束光刻等成像系统在微纳米检测和制造等各个领域均起到重要作用。用于产生电子的电子源和产生离子的离子源(统称粒子源，通常是一根金属丝)是这些成像系统的关键部件。粒子源的性能最终决定了成像系统的分辨率、衬度等重要性倉泛。 最常用的电子源是肖特基场发射电子源，其相对于传统的热电子源具有寿命长等优点，但缺点是等效直径大、分辨率低、亮度不高、电子能量均匀性不佳等。目前被认为性能优越的冷场发射电子源优点是等效直径很小，在高电压时亮度比肖特基场发射电子源高得多，但是在低压时亮度急剧恶化，而很多材料特别是生物样品必须在低压模式下检测才能不受损。气态场发射离子源出现得很早，优点是等效直径小和离子能量分布均匀等，缺点是束流密度不高，而且由于微纳米加工工艺限制了针尖尺寸，离子源的发散角很大，无法应用到聚焦离子束系统上。目前最常用的离子源是液态金属离子源，束流密度很高，但等效直径大，且离子能量分布不均匀。近年来由于金字塔型原子级别针尖的成功研制，气体场发射离子源在聚焦离子束的应用成为了可能，但是其束流密度过低的缺点仍很大限制了其应用，尤其是微纳米制造。因此，希望获得一种能够提供高束流密度、小束流角、小的等效直径、小的能量分散度的粒子流的粒子源。对于电子源，还希望其发射的电子束具有良好的空间相干性。
技术实现思路
为解决现有技术中的至少一问题而提出本专利技术。本专利技术在下文中参考实施例的示例将更详细的描述，但本专利技术并不局限于所述实施例。本专利技术的一个方面提供了一种用于制造粒子源的方法，包括将金属丝置于真空环境中并通入活性气体和催化气体，对金属丝的温度进行调节，并对金属丝施加正高压V，使得金属丝表面的活性气体离解，在金属丝头部侧面产生刻蚀带，在该刻蚀带内发生场致刻蚀；场致刻蚀使得金属丝头部顶端处表面电场增强，直到大于金属丝材料的场致蒸发电场，使得此处的金属原子被蒸发出去；在场致刻蚀触发了场致蒸发之后，场致刻蚀和场致蒸发这两种机制相互调节直到金属丝头部形状变成了由底座和底座上的针尖组成，其中场致刻蚀发生在侧面，形成了底座，而场致蒸发发生在顶端，形成了针尖；以及当获得具有预定形状的金属丝头部时，停止场致刻蚀和场致蒸发。在优选实施例中，相对于金属丝表面，催化气体的第一电离能小于活性气体的第一电离能。在优选实施例中，所述正高压V使金属丝头部顶端处的表面电场大于活性气体的电离电场。在优选实施例中，所述活性气体的压强低于该活性气体的放电压强，所述催化气体的压强低于该催化气体的放电压强。在优选实施例中，在场致刻蚀过程中，将所述金属丝的温度控制为能使活性气体分子吸附到金属丝表面。在优选实施例中，通过场致刻蚀形成粒子源的底座。在优选实施例中，通过场致蒸发形成粒子源的针尖。 在优选实施例中，快速降低金属丝温度至低于活性气体沸点以减小金属丝表面活性气体的迁移速率，然后切断正高压V来停止场致刻蚀和场致蒸发。在优选实施例中，通过停止催化气体导入，来停止场致刻蚀和场致蒸发。在优选实施例中，通过停止活性气体导入，来停止场致刻蚀和场致蒸发。在优选实施例中，当获得具有预定最顶层原子数的针尖时，停止场致刻蚀和场致蒸发。在优选实施例中，停止场致刻蚀和场致蒸发并排除活性气体和催化气体之后，通过加另一正高压使得针尖最顶层表面处产生场致蒸发，以移除针尖上附着的非金属原子或分子，并有选择地移除此处的金属原子，最终获得具有预定的最顶层原子数的针尖。在优选实施例中，针尖最顶层原子数最少为I。在优选实施例中，在正对金属丝头部并且垂直于金属丝轴线的位置放置导电荧光屏，并引入成像气体，以观察金属丝的头部状态。在优选实施例中，在金属丝与导电荧光屏前放置微通道板MCP以辅助成像。在优选实施例中，粒子源是电子源或离子源。在优选实施例中，当场致刻蚀和场致蒸发同时进行并相互调节时，正高压V为恒定正高压。在优选实施例中,所述底座和针尖具有轴对称形状。在优选实施例中，金属丝被预加工为具有逐渐变细的头部。在优选实施例中，通过调节活性气体的压强、金属丝的温度、正高压V的数值中的一个或多个量来控制场致刻蚀的精度和速度。在优选实施例中，通过控制针尖的曲率半径和正高压V的数值来控制底座曲率半径的大小。在优选实施例中，活性气体是02、N2、C0、C02、其它含有氧元素或者氮元素的活性气体中的任意一种或其组合。在优选实施例中，催化气体是Xe，CH4, C2H4, C2H6, C2H2中的任意一种或其组合。在优选实施例中，金属丝是熔点在2200°C以上的难熔金属，或具有高度化学不活性的惰性金属。在优选实施例中，所述金属丝是钨、钽、铼、钥、铌、铪、铱、锇、铑、钌、钼、钯、或金。在优选实施例中，正高压的取值范围是3kV_100kV。在优选实施例中，当活性气体为O2时，活性气体的压强范围为10_6Pa至KT1Pa ;当活性气体为N2时，活性气体的压强范围为F6Pa至KT2Pa ;当活性气体为CO时，活性气体的压强范围为KT6Pa至IO-1Pa15在优选实施例中，在场致刻蚀过程中当活性气体为O2时，金属丝温度的范围为10K-200K ;当活性气体为N2时，金属丝温度的范围为10K-200K ;当活性气体为CO时，金属丝温度的范围为10K-200K。本专利技术的另一方面提供 了一种粒子源，包括底座，具有平缓的顶部；和针尖，形成为底座顶部上的微小突起，其中所述粒子源的材料是惰性金属。在优选实施例中，所述针尖形成在顶部中心上。在优选实施例中，所述底座和所述针尖关于中心轴线对称。在优选实施例中，底座的曲率半径是微米或亚微米量级。在优选实施例中，针尖的曲率半径是纳米量级。在优选实施例中，底座的曲率半径与针尖的曲率半径之比大于3 I。在优选实施例中，底座是通过场致刻蚀形成的。在优选实施例中，针尖是通过场致蒸发形成的。在优选实施例中，粒子源的材料是铱、锇、错、钌、钼、钮、或金。在优选实施例中，针尖具有预定数量的最顶层原子数。在优选实施例中，针尖最顶层具有I个原子。在优选实施例中，所述粒子源是电子源或离子源。附图说明参考附图并结合以下详细说明，可以更加清楚本专利技术的上述和其他优点。附图意在说明而非限制本专利技术。附图并非按比例绘制，其形状也是示意性的，而并非严格对应于实际产品的形状。图I示出了根据本专利技术实施例的粒子源的结构示意图。图2A示出了根据本专利技术实施例的粒子源与现有技术的金字塔形粒子源在用作电子源时的比较示意图。图2B示出了根据本专利技术实施例的粒子源与现有技术的金字塔形粒子源在用作离子源时的比较示意图。图3A示出了根据本专利技术实施例的粒子源制造装置的示意图。图3B示出了活性气体和催化气体的选择原理示意图。图4A 4C示出了根据本专利技术实施例的粒子源制造方法。具体实施例方式以下参考附图描述本专利技术的优选实施方式。应当理解，以下实施方式是示例性而非穷举性的，其仅用于说明本专利技术的原理，而并非意在限制本专利技术的范围。图I示出了根据本专利技术实施例的粒子源100的结构示意图，其可用作电子源或离子源。如图I所示，粒子源100包括针尖110和底座120。针尖110形成为底座120上的微小突起。针本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造粒子源的方法，包括：将金属丝置于真空环境中并通入活性气体和催化气体，对金属丝的温度进行调节，并对金属丝施加正高压V，使得金属丝表面的活性气体离解，在金属丝头部侧面产生刻蚀带，在该刻蚀带内发生场致刻蚀；场致刻蚀使得金属丝头部顶端处表面电场增强，直到大于金属丝材料的场致蒸发电场，使得此处的金属原子被蒸发出去；在场致刻蚀触发了场致蒸发之后，场致刻蚀和场致蒸发这两种机制相互调节直到金属丝头部形状变成了由底座和底座上的针尖组成，其中场致刻蚀发生在侧面，形成了底座，而场致蒸发发生在顶端，形成了针尖；以及当获得具有预定形状的金属丝头部时，停止场致刻蚀和场致蒸发。

【技术特征摘要】
1.一种用于制造粒子源的方法，包括 将金属丝置于真空环境中并通入活性气体和催化气体，对金属丝的温度进行调节，并对金属丝施加正高压V，使得金属丝表面的活性气体离解，在金属丝头部侧面产生刻蚀带，在该刻蚀带内发生场致刻蚀； 场致刻蚀使得金属丝头部顶端处表面电场增强，直到大于金属丝材料的场致蒸发电场，使得此处的金属原子被蒸发出去； 在场致刻蚀触发了场致蒸发之后，场致刻蚀和场致蒸发这两种机制相互调节直到金属丝头部形状变成了由底座和底座上的针尖组成，其中场致刻蚀发生在侧面，形成了底座，而场致蒸发发生在顶端，形成了针尖；以及 当获得具有预定形状的金属丝头部时，停止场致刻蚀和场致蒸发。2.根据权利要求I所述的方法，其中 相对于金属丝表面，催化气体的第一电离能小于活性气体的第一电离能。3.根据权利要求I所述的方法，其中 所述正高压V使金属丝头部顶端处的表面电场大于活性气体的电离电场。4.根据权利要求I所述的方法，其中 所述活性气体的压强低于该活性气体的放电压强，所述催化气体的压强低于该催化气体的放电压强。5.根据权利要求I所述的方法，其中 在场致刻蚀过程中，将所述金属丝的温度控制为能使活性气体分子吸附到金属丝表面。6.根据权利要求I所述的方法，其中 通过场致刻蚀形成粒子源的底座。7.根据权利要求I所述的方法，其中 通过场致蒸发形成粒子源的针尖。8.根据权利要求I所述的方法，还包括 快速降低金属丝温度至低于活性气体沸点以减小金属丝表面活性气体的迁移速率，然后切断正高压V来停止场致刻蚀和场致蒸发。9.根据权利要求8所述的方法，还包括 通过停止催化气体导入，来停止场致刻蚀和场致蒸发。10.根据权利要求8所述的方法，还包括 通过停止活性气体导入，来停止场致刻蚀和场致蒸发。11.根据权利要求I所述的方法，其中 当获得具有预定最顶层原子数的针尖时，停止场致刻蚀和场致蒸发。12.根据权利要求I所述的方法，还包括 停止场致刻蚀和场致蒸发并排除活性气体和催化气体之后，通过加另一正高压使得针尖最顶层表面处产生场致蒸发，以移除针尖上附着的非金属原子或分子，并有选择地移除此处的金属原子，最终获得具有预定的最顶层原子数的针尖。13.根据权利要求11或12所述的方法，其中 针尖最顶层原子数最少为I。14.根据权利要求I所述的方法，还包括 在正对金属丝头部并且垂直于金属丝轴线的位置放置导电荧光屏，并引入成像气体，以观察金属丝的头部状态。15.根据权利要求14所述的方法，还包括 在金属丝与导电荧光屏前放置微通道板MCP以辅助成像。16.根据权利要求I所述的方法，其中 粒子源是电子源或离子源。17.根据权利要求I所述的方法，其中 当场致刻蚀和场致蒸发同时进行并相互调节时，正高压V为恒定正高压。18.根据...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘华荣，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十八研究所，
类型：发明
国别省市：